При расчете предохранительных клапанов может стоять одна из двух задач:
1) рассчитать размеры ПК для заданных условий работы, выбрать его по каталогу или стандарту;
2) рассчитать пропускную способность ПК заданного типоразмера и определить его пригодность для работы в заданных условиях.
Независимо от типа решаемой задачи следует выполнить условие: пропускная способность G предохранительного клапана должна быть не менее аварийного притока Ga, т.е. G > Ga.
Аварийный массовый приток среды Ga (кг/с) определяется в зависимости от особенностей технологического процесса. Например, при подаче рабочей среды в аппарат компрессором или насосом величину Ga принимают равной массовой производительности компрессора или насоса. Клапаны, установленные на ректификационных колоннах, должны стравливать все количество паров, поступающих в колонну и образующихся в колонне. Для определения Ga в случае выхода из-под контроля химических реакций или прорыва легкокипящих жидкостей необходимо знать динамику развития процессов.
Во многих случаях наиболее опасной аварийной ситуацией является взрыв технологической cреды внутри аппарата. Аварийный приток в этом случае связан с соответствующей ему скоростью нарастания давления взрыва.
Порядок расчета ПК следующий:
1) определить характер и величину аварийного расхода (G);
2) определить допускаемое превышение давления в аппарате при работе ПК;
3) определить характеристику cреды перед и за ПК;
4) рассчитать площадь проходного сечения клапана
5) выбрать тип (марку) ПК;
6) выбрать ПК по каталогу так, чтобы Ду клапана было равно или превышало расчетное значение диаметра проходного сечения.
В случае необходимости определения пропускной способности ПК известного диаметра определяется значение G и сравнивается результат с аварийным притоком Ga. ПК пригоден для заданных условий работы, если G? Ga.
При определении величины проходного сечения клапана следует иметь в виду, что если F выбран малым, клапан не обеспечит требуемого снижения давления. Если клапан выбрать слишком большим F, то он будет работать неустойчиво, т.к. сброс чрезмерно большого объема рабочей среды вызовет быстрое падение давления, клапан закроется, после чего давление снова будет нарастать, клапан откроется, и эти циклы будут продолжаться - возникает пульсационный режим работы.
ТЕМА:Требования к установке и эксплуатации предохранительных клапанов
Для защиты аппаратов от превышения давления Госгортехнадзором разрешается устанавливать ПК, имеющие паспорта (сертификаты) и инструкцию по эксплуатации.
ПК следует устанавливать непосредственно на штуцере защищаемого аппарата в вертикальном положении: в вертикальных аппаратах - на верхней крышке, а на горизонтальных - на верхней образующей цилиндра. Диаметр штуцера, к которому присоединяют ПК, должен быть не менее диаметра приемного патрубка клапана, между аппаратом и ПК не должно быть запорной арматуры. ПК закрытого типа можно устанавливать в любом месте технологических цехов и установок, клапан открытого типа - только вне помещений (за исключением клапанов для водяного пара и воздуха).
Технологическая среда, сбрасываемая через ПК, должна отводиться в безопасное место или в защитные системы на улавливание либо на сжигание в факеле (углеводородные продукты).
При сбросах среды в атмосферу через ПК применяют короткую вертикальную трубу, верхний обрез которой должен быть не менее чем на 3 м выше самой высокой рабочей площадки наружной установки, расположенной в радиусе 15 м от выхлопной трубы. Предпочтительнее иметь отдельную трубу для каждого ПК.
Новые и отремонтированные предохранительные клапаны перед монтажом регулируют на специальном стенде на установочное давление (давление срабатывания), а их затворы и разъемные соединения проверяют на герметичность. Допустимое отклонение от давления срабатывания правильно отрегулированного полноподъемного клапана? 0,5%. Разница между давлениями срабатывания и закрытия клапана 3-5%. При проверке на герметичность в клапан со стороны выходного патрубка наливают воду так, чтобы ее уровень был выше уплотнительной поверхности запорного органа. Затем под золотник клапана подают воздух под давлением, которое на 5% меньше давления его срабатывания. Отсутствие воздушных пузырьков свидетельствует о герметичности запорного органа.
Для повышения надежности работы ПК подвергают периодической ревизии (разборка, дефектовка, чистка, сборка, настройка на давление срабатывания, проверка на герметичность, испытание).
На аппаратах с нейтральными средами при температуре ниже 2500С ревизию ПК проводят не реже одного раза в год; на аппаратах с агрессивными загрязнениями и полимеризующими средами, сжиженными газами, а также на аппаратах с температурой процесса более 2500С - не реже одного раза в 3 месяца.
На аппаратах непрерывных процессов допускается устанавливать рабочий и резервный ПК. Рабочий и резервный клапаны должны устанавливаться на отдельных присоединительных патрубках, иметь одинаковую пропускную способность и обеспечивать в отдельности полную защиту аппарата от превышения давления.
Для уменьшения случаев выброса через рабочие ПК в атмосферу аппараты, содержащие взрывоопасные газа и вещества, отнесенные к I и II классам опасности по ГОСТ 12.1.007-75, должны иметь две системы ПК: рабочую - со сбросом в атмосферу; контрольную - со сбросом в закрытую систему (на улавливание или сжигание). Давление начала открытия контрольных ПК должно быть меньше давления начала открытия рабочих клапанов и не должно превышать расчетное давление в аппарате. Рабочие и контрольные ПК в отдельности должны обеспечивать полную защиту аппарата от превышения давления.
Если источником повышения давления является быстро отключаемый агрегат (компрессор, насос, нагревательный элемент), допускается вместо контрольных клапанов применять защитную блокировку, отключающую источники давления при достижении параметров, соответствующих началу открытия контрольных ПК. Защитная блокировка не может быть использована в случае, если источником повышения давления является неуправляемая химическая реакция.
При применении предохранительных клапанов следует иметь в виду, что они не обеспечивают хорошую герметичность защищаемого оборудования после нескольких срабатываний; не пригодны для защиты аппаратов, содержащих среды, склонные к осаждению, полимеризации, кристаллизации; им свойственна некоторая инерционность. Учитывая вышеперечисленные недостатки, в ряде случаев взамен предохранительных клапанов используются предохранительные мембраны.
Предохранительные мембраны. Типы мембран, требования к их материалам
Предохранительные мембраны представляют собой специально ослабленные устройства с точно рассчитанным порогом разрушения по давлению.
По сравнению с предохранительными клапанами мембраны имеют следующие преимущества: обеспечивают герметичное закрытие сбросного отверстия (до срабатывания мембраны); могут применяться для защиты оборудования, содержащего высококоррозийные, кристаллизующие среды; менее инерционны; дешевы и просты в изготовлении.
Недостатки предохранительных мембран: однократность применения; сравнительно большая допускаемая разность между давлением срабатывания и рабочим давлением, что требует повышенного запаса прочности защищаемого оборудования.
Применение мембран вместо предохранительных клапанов (или совместно с ними) позволяет значительно повысить степень герметичности оборудования, что в условиях химической промышленности означает уменьшение потерь ценных продуктов и снижение загазованности производственных помещений и окружающей атмосферы.
На современных химических предприятиях применяются мембраны диаметром от 2 до 1300 мм на разрушающее давление от 0,002 до 215 МПа в диапазоне рабочих температур от -183 до +1500 0С.
Предохранительные мембраны с учетом характера их разрушения подразделяют на разрывные, ломающиеся, отрывные, срезные, выщелкивающие
Разрывные мембраны изготавливаются из тонколистового металлического проката. Мембрана защемляется во фланцевом соединении с помощью зажимных колец. При нагружении мембраны рабочим давлением она испытывает пластические деформации и приобретает куполообразную форму. Куполообразную форму мембране часто придают также при изготовлении, что увеличивает быстродействие мембраны, позволяет обнаружить скрытые дефекты металла.
Возможность применения разрывных мембран ограничивается номенклатурой тонколистового металлического проката, выпускаемого промышленностью. Особенно трудно с помощью разрывных мембран защищать оборудование, работающее на низком давлении.
Ломающиеся мембраны изготавливаются из хрупких материалов (чугун, графит, стекло и т.п.) и поэтому их срабатыванию не предшествуют заметные пластические деформации. Ломающиеся мембраны хорошо работают в условиях динамических и пульсирующих нагрузок. Толщина мембраны может задаваться любой в процессе изготовления, что исключено при изготовлении разрывных мембран из стандартного тонколистового материала. Изготовление ломающихся мембран несложно.
Наиболее распространены в настоящее время ломающиеся мембраны из чугуна с выточкой. Их используют для защиты котлов высокоорганических теплоносителей, трубопроводов аммиачно-метанольных производств, устанавливают перед предохранительными клапанами в цистернах с жидким хлором и другими агрессивными средами.
Ломающиеся мембраны весьма чувствительны к равномерности затяжки фланцевого соединения; при несоблюдении этого условия мембрана может разрушиться при монтаже. Основным недостатком ломающихся мембран является большой разброс давления срабатывания из-за невоспроизводимости механических свойств материала мембраны.
Поэтому во многих случаях они не обеспечивают надежной защиты оборудования.
Срезные мембраны при срабатывании срезаются по острой кромке верхнего прижимного кольца. Материалом для изготовления мембран служит листовой алюминий, а прижимные кольца выполняют из стали. Срезные мембраны наиболее часто применяют для защиты сборников жидкого аммиака и метанола.
Отрывные мембраны применяют для защиты систем высокого давления (свыше 25 МПа) при диаметре сбросных отверстий 20-60 мм. Мембраны имеют форму колпачков с ослабленным сечением. Отрывные мембраны успешно используют для защиты аппаратов в производствах полиэтилена и некоторых других.
Выщелкивающиеся мембраны представляют собой тонкостенный сферический сегмент, припаянный или приклеенный к опорному кольцу, обращенный выпуклой поверхностью в сторону рабочего давления.
При превышении давления в аппарате выше заданной величины сферический сегмент теряет устойчивость и мембрана выворачивается в другую сторону. Этот процесс происходит очень резко с хлопком, вследствие чего мембрана отрывается от кольца в месте припайки и уносится потоком сбрасываемого газа. Выщелкивание мембраны применяют для защиты аппаратов, работающих при низких давлениях и вакууме.
Материалы предохранительных мембран должны обладать следующими основными свойствами:
а) иметь стабильные механические свойства при рабочей температуре. Максимальное отклонение предела прочности при растяжении не должно превышать +5% от средней величины;
б) быть коррозионностойким в технологической среде, содержащейся в аппарате;
в) структура материала и его механические свойства не должны изменяться в процессе эксплуатации мембраны;
г) допуск на толщину проката (фольги, ленты), применяемого для изготовления мембран, должен быть минимальным.
Применение различных материалов для изготовления мембран ограничивается максимально допустимой рабочей температурой в месте их установки. При более высоких температурах возможны ложные срабатывания мембран при рабочем давлении вследствие значительной ползучести материала.